DETECTORES DE RADIAÇÃO
Nuno Santos*
* Nº55746
Mestrado Integrado em Engenharia Biomédica
Instituto Superior Técnico – Departamento de Física
e-mail: [email protected]
Palavras-chave: Câmara de Ionização, Detector de Geiger-Müller, Detector de
Cintilação, Detector de Semicondutor
Resumo As partículas provenientes de fontes radioactivas são muito utilizadas nos
procedimentos de diagnóstico médico e no tratamento de doenças. Uma das formas
directas de aplicação da radiação é a sua própria detecção, como por exemplo para uma
simples contagem de partículas para medição da dose aplicada a um doente.
Este trabalho consiste na caracterização dos diferentes detectores de radiação, à
excepção dos nucleares. Os detectores de gás foram dos primeiros a serem
desenvolvidos e também são os primeiros a serem referidos. Uma das suas propriedades
é a utilização de um gás como material de detecção. Para além do detector de câmara de
ionização, existem também o contador proporcional e o de Geiger-Müller. Os outros
dois detectores referidos, um deles possui um material fluorescente como agente de
detecção, detector de cintilação, enquanto o outro utiliza um semicondutor, detector
semicondutor.
Os detectores de gás, apesar de possuírem construção simples e não sofrerem destruição
significativa com a radiação, não conseguem determinar partículas carregadas com
baixo valor energético. Para este propósito são mais recomendáveis os detectores
semicondutor e de cintilação, se bem que o custo de construção é mais elevado.
Detectores de Radiação
INTRODUÇÃO
A utilização da radiação por parte dos equipamentos médicos tem sido elevada,
devido à sua importância terapêutica e de utilização no diagnóstico de determinadas
patologias. Assim sendo, a importância da sua detecção é igualmente considerada,
sendo usada principalmente na área de diagnóstico. A sua utilização é comummente
associada à determinação de dose aplicada a um doente, uma vez que existe uma certa
proporcionalidade entre a quantidade de radiação aplicada e a dose ao longo do tempo.
Interacção da radiação com a matéria
A radiação emitida por núcleos radioactivos possui uma energia muito elevada, e
consequentemente quando interage com os tecidos vivos provoca danos muito graves,
podendo levar à morte destes. Este efeito depende, no entanto, da intensidade, energia e
tipo de radiação que atinge a matéria, mas também do poder de absorção por parte da
matéria.
A classificação das partículas provenientes das fontes radioactivas é feita consoante
se trate de partículas carregadas, como por exemplo protões e electrões, de neutrões ou
fotões.
Os protões são partículas muito pesadas, e por isto a sua principal forma de
interacção com a matéria é através da perda de energia derivada da acção dos campos
eléctricos dos átomos por onde aquele passa, e que em grande parte dos casos é
absorvida pelos electrões. A energia transportada por estes electrões é superior à dos
protões uma vez que a energia é transferida por momento e a massa do electrão é
inferior à do protão. As colisões nucleares criadas por estes protões são raras uma vez
que as energias não são suficientemente elevadas. No caso das outras partículas
carregadas, a interacção dos electrões com a matéria é em grande parte diferente da
interacção dos protões. O facto de os electrões serem mais leves faz com que as suas
velocidades sejam mais elevadas, o que lhes dá um poder de penetração nos tecidos
superior à dos protões. Para além disto, este fenómeno faz ainda com que a emissão de
radiação de bremsstrahlung, devido à interacção do electrão com os electrões atómicos,
seja maior do que em qualquer outro tipo de partículas carregadas.
Os fotões, quer seja radiação γ ou raios-X, são partículas energéticas, que interagem
com a matéria principalmente de três formas: efeito fotoeléctrico, efeito de Compton e
por produção de pares. A sua importância na caracterização dos fotões depende da
energia dos mesmos. O efeito fotoeléctrico apresenta predominância em energias
baixas, enquanto a produção de pares só ocorre a energias mais elevadas. O efeito de
Compton é essencialmente sentido em energias intermédias.
Por último, os neutrões são responsáveis pela colisão nuclear. A sua energia pode ser
transferida para as partículas carregadas, se desviadas, ou então pode ser absorvido de
diferentes tipos de processos.
Os detectores
Um detector de radiação consiste essencialmente na criação de um sinal eléctrico
resultante da interacção da radiação que se pretende detectar com a matéria, neste caso
presente no detector. No entanto, existem diferentes tipos de detectores consoante as
suas diferentes propriedades. A detecção pode ser efectuada através do registo de
electrões provenientes da ionização de um gás ou através da excitação de electrões
presentes num semicondutor. A emissão de fotões fluorescentes, provenientes da
colisão de radiação em material de cintilação, pode ser observada também, como forma
de detecção. Outras das formas de distinção dos detectores é realizada através dos
1
Detectores de Radiação
diferentes tipos de radiação que o aparelho detecta, como por exemplo radiação β e γ.
É importante referir que, apesar de existirem alguns aparelhos que detectam um tipo
de radiação em particular, a origem e correspondentes características destes continuam a
ser desconhecidas, uma vez que os detectores só analisam o resultado do decaimento
radioactivo de um átomo, e não o decaimento em si. Existem, no entanto, formas de
identificação desses átomos, que se baseiam principalmente na concepção de sistemas
complexos que, entre outras ferramentas, recorrem a múltiplos e diferentes detectores de
radiação.
Este trabalho tem como objectivo a caracterização de diferentes tipos de detectores
de radiação, que não envolvam detectores nucleares, através das suas discrições. Os
detectores estudados estão divididos em detectores de gás, nomeadamente as câmaras de
ionização e os contadores proporcionais e de Geiger-Müller, os detectores de cintilação
e os detectores de semicondutores.
DETECTORES DE GÁS
Os detectores de gás caracterizam-se por utilizarem um gás como material que sofre
ionização pelas partículas carregadas.
Câmaras de Ionização
As câmaras de ionização são os detectores conceptualmente mais simples, cujo
princípio de funcionamento assenta na medição da quantidade de partículas carregadas
presentes num meio. Como ilustrado na Figura 1, o meio presente na câmara de
ionização é atingido pelas partículas carregadas provenientes da fonte radioactiva. Este
meio é constituído por um gás característico que, ao ser ionizado pela radiação, origina
uma corrente que é proporcional ao número de moléculas ionizadas e que é
posteriormente amplificada.
Figura 1. Princípios de funcionamento da câmara de ionização [3].
A câmara de ionização é constituída, para além do já referido gás, por dois
eléctrodos, um ânodo (eléctrodo positivo) e um cátodo (eléctrodo negativo). Como
ilustrado na Figura 2, a disposição dos eléctrodos no interior da câmara pode ser
variada, dependendo do fim a que se destina. Em grande parte dos casos o cátodo serve
de invólucro da câmara, apresentando a forma de um cilindro, enquanto o ânodo
dispõem-se no centro em forma de haste. No entanto, o ânodo pode apresentar-se
também na forma de cilindro ou ainda em forma de cone. Noutro tipo de casos, existe
ainda a possibilidade de o cátodo e o ânodo serem chapas, postas paralelamente lado a
2
Detectores de Radiação
lado. Com o intuito de aumentar a sensibilidade da câmara de ionização, os eléctrodos
podem ainda ser colocados como ilustrado na Figura 2, em baixo, em que ambos são
chapas cilíndricas mas com a particularidade de que a amostra é colocada no interior da
câmara, dentro do ânodo.
Os eléctrodos, devido à já referida disposição, funcionam como um condensador
(capacidade C), no qual é aplicada uma diferença de potencial elevada, na ordem das
centenas de Volt. A função desta tensão aplicada é garantir que o aparelho não satura,
devido às sucessivas ionizações do meio.
Figura 2. Diferentes interiores de câmaras de ionização, consoante a forma dos eléctrodos [2].
As câmaras de ionização conseguem detectar diferentes tipos de radiação. As
partículas mais importantes e que interagem com o aparelho são as carregadas,
nomeadamente as partículas α e β e a radiação γ e X.
O processo de detecção é conceptualmente simples, como já referido. Inicialmente
existe uma interacção entre a radiação e a matéria. Esta interacção provoca
normalmente uma separação de cargas entre partículas, ou seja, é formado um par
partícula negativa – partícula positiva. Na presença do ânodo e do cátodo estas
partículas carregadas são atraídas nas suas direcções, respectivamente sejam elas
negativas ou positivas, vide Figura 3. Neste ponto, a alta tensão dos eléctrodos é
essencial, já que evita a recombinação das partículas carregadas com o restante meio.
A energia média necessária para cada partícula carregada ionizar o meio, depende
essencialmente do gás que é introduzido na câmara. À excepção do hélio, nos restantes
gases normalmente utilizados para estes fins, a energia requerida é cerca de 30eV por
par de iões. Se, por exemplo, uma partícula entrar na câmara e transferir cerca de
1GeV.s-1 para o gás, então a corrente gerada é aproximadamente
3
Detectores de Radiação
.
.
ã
ã
5.3 10 A
(1)
onde 1.6×10-19 é a força de Coulomb.
Figura 3. Deslocação das partículas carregadas para os respectivos eléctrodos [1][2][2].
O valor obtido para a corrente é significativamente baixo, e por conseguinte opta-se
normalmente por considerar várias detecções, sendo assim a sua soma mais fácil de
medir. No entanto em grande parte dos casos, o valor de corrente é medido por
voltímetros electrónicos de elevada sensibilidade, que são capazes de medir ordens de
grandeza de corrente tão baixas como o do valor de (1).
Outro aspecto relevante neste ponto é o tempo de detecção de cada partícula. Devido
à sua elevada massa, os iões positivos são mais lentos do que os electrões (cerca de
1000 vezes [1]). Desta forma, sempre que estes se separam devido a uma colisão e
migram para os respectivos eléctrodos, o electrão por viajar a uma velocidade superior à
do ião, atinge em primeiro lugar o detector. Esta situação condiciona, portanto, o
aparelho na possibilidade de detecção individual de partículas, uma vez que é necessária
uma frequência de contagem de pelo menos alguns kHz. Para além disto, existe também
o condicionamento da incerteza do local da colisão. Já que a frequência necessária à
detecção individual é grande, as distâncias são também relevantes para a determinação
dessa frequência.
Apesar deste condicionamento, existem câmaras de ionização que apresentam
contagem de partículas. Estas apresentam, para além dos eléctrodos, uma grelha,
denominada de Frisch. A grelha de Frisch localiza-se junto ao ânodo e a sua função é
garantir que o ânodo não sofre efeitos relativos ao movimento de cargas no meio, até
que os electrões atinjam o intervalo entre a grelha e o ânodo. Neste intervalo, é então
gerado um impulso, cuja amplitude é proporcional à energia depositada no gás pelas
partículas. A duração deste impulso é significativamente baixa, cerca de alguns µs [1], o
que evita a saturação e a sobreposição das detecções.
A escolha do gás utilizado na câmara depende de vários factores, principalmente das
suas propriedades e do fim a que a câmara se destina, e que influencia o tempo e a
eficiência de detecção dos electrões. Assim, quando se pretende uma câmara em modo
contínuo deve-se optar por um gás como o ar (possui oxigénio, o qual tem alta afinidade
com os electrões), enquanto em modo pulsátil se deve optar por gases inertes ou
orgânicos.
4
Detectores de Radiação
Contador proporcional e de Geiger-Müller
Os contadores proporcionais são detectores de gás cujo funcionamento se baseia na
aceleração dos electrões, com o objectivo de obter uma contagem de partículas. Na
subsecção anterior foi referido o modo como as partículas carregadas interagem com o
meio da câmara e a obtenção de um baixo valor de corrente para cada detecção. Para
além disto foi também considerada uma forma de obter uma contagem do número de
partículas a atingirem a câmara. Agora, no caso do contador proporcional, ao invés de
amplificar o sinal obtido electronicamente, são amplificados os electrões dentro da
câmara. Aplicando uma tensão mais elevada entre os eléctrodos, do que a considerada
anteriormente, os electrões sofrem um aumento de velocidade e consequentemente de
energia. Quando a energia atinge um determinado valor, os electrões colidem com
outros átomos e originam ionizações. Devido uma vez mais, à elevada diferença de
potencial sentida pelos electrões, estes ionizam uma vez mais outros átomos. Assim,
após inúmeros choques são formados inúmeros electrões que são então detectados pelo
aparelho. A este processo denomina-se avalanche de Townsend [1][4].
Figura 4. Avalanche de Townsend [4].
O factor multiplicativo obtido pelo contador proporcional é da ordem de 103-105 [1].
No entanto, o nome do contador advém do facto de a tensão imposta aos eléctrodos ser
proporcional ao impulso gerado na detecção dos electrões (número de electrões), mas
apenas se a tensão não for demasiado elevada, vide Figura 5.
O contador proporcional é utilizado essencialmente para detecção de partículas α e β,
podendo no entanto ser usado na detecção da actividade dos neutrões. Estes contadores
operam em modo pulsátil uma vez que os pulsos gerados são relativamente largos,
comparativamente aos usados em modo contínuo na câmara de ionização.
Adicionalmente os impulsos podem variar o seu tamanho, ainda que se mantendo
largos. Dos dois factores principais desta alteração [4], o primeiro é referente à variação
do valor de tensão aplicada aos eléctrodos, sendo que quanto maior a tensão maior é o
efeito da avalanche e por conseguinte maior é o impulso. O segundo relaciona-se com a
variação da energia depositada no detector por uma partícula incidente. Quanto maior
5
Detectores de Radiação
for a energia da partícula incidente, maior é o número de electrões primários, ou seja, os
electrões formados a partir da partícula, e por isso maior é o número de electrões a
atingir o eléctrodo e consequentemente o tamanho do impulso.
O gás presente no meio de um contador proporcional, como explicado anteriormente,
terá de ser adequado ao modo de operação do dispositivo, ou seja, terá de se adequar ao
modo pulsátil. Assim opta-se preferencialmente por gases inertes (não são
electronegativos), em que por regra quanto maior for o número atómico dele maior a
sensibilidade do aparelho. Ainda assim, algumas vezes é também considerado o ar
(mais económico) como gás presente no meio, nomeadamente para contagem de
partículas α, uma vez que o número de electrões primários gerados pela colisão da
partícula com o gás é superior, relativamente ao número de electrões gerados na mesma
situação por outras partículas. A humidade do ar é também um factor a ter em conta
neste caso, uma vez que em ambiente húmido são gerados impulsos artefactos, mais
pequenos. Para além destes mais comuns, podem ser também utilizados gases
hidrocarbonetos, tendo no entanto a desvantagem de alguns serem inflamáveis. Na
detecção de núcleos são utilizados o 3He e o BF3, uma vez que são úteis em reacções
nucleares e na geração dos impulsos, dentro da câmara.
Os contadores proporcionais podem ser classificados quanto ao tipo, já que eles
diferem significativamente. Assim, consideram-se três tipos de contadores [4]: contador
proporcional de fluxo de gás, gas flow proportional, contador proporcional de ar, air
proportional, e contador proporcional selado, sealed proportional. O contador
proporcional de ar serve essencialmente para medir radiação α, pela razão referida no
parágrafo anterior. O contador proporcional de fluxo de gás é utilizado para linhas de
raio-X de baixa energia enquanto o contador selado é útil em raio-X de alta energia.
Este último, contador proporcional selado, apresenta uma janela de entrada para a
radiação relativamente grossa, cerca de 50µm no caso do Berílio [5], de modo a reter as
moléculas do gás dentro da câmara. O contador proporcional de fluxo, por seu lado,
apresenta uma janela, normalmente propileno, bastante mais fina, cerca de 0.5 a 1µm de
espessura [5], e o gás, geralmente árgon com 10% de metano, é feito passar pelo detector
a uma velocidade constante. Ainda relativamente às geometrias do contador, devido à
proximidade existente entre a zona central, ânodo, e o local onde ocorrem praticamente
todos os processos de ionização, é considerado independente o local exacto onde estas
ionizações ocorrem, ao contrário do que acontece nas câmaras de ionização.
Os contadores de Geiger-Müller são em quase tudo semelhantes aos contadores
proporcionais, uma vez que a geometria do dispositivo é idêntica e a base teórica
também. No entanto existem algumas diferenças que os caracterizam. Como referido
anteriormente, existe uma tensão elevada aplicada aos eléctrodos do contador. No caso
dos contadores de Geiger-Müller, esta tensão é aumentada até um valor de saturação do
dispositivo. O gráfico da Figura 5 apresenta isto mesmo, a região de Geiger-Müller
possui uma tensão de trabalho muito mais elevada que qualquer uma das outras regiões,
nomeadamente a proporcional. A região de Geiger-Müller possui assim duas
características importantes [7]: o número final de electrões produzidos no contador é
independente da tensão aplicada aos eléctrodos e este mesmo número de electrões é
independente do número de electrões produzidos na ionização inicial, por consequência
da radiação incidente.
6
Detectores de Radiação
Figura 5. Amplitude do impulso gerado na câmara em função da tensão aplicada aos eléctrodos [1].
O valor elevado da tensão, entre 800 e 1200V [6], tem uma consequência no
desempenho do contador que o caracteriza e que define o modo de funcionamento. Os
electrões na presença de uma diferença de potencial tão elevada adquirem uma
velocidade, também ela, grande, o que origina uma energia suficiente para os fazer
colidir e, para além de ionizar, conseguir excitar as moléculas do gás. Do processo de
desexcitação destes átomos, são produzidos fotões ultravioletas, sendo que muitos deles
possuem energia suficiente para irem desencadear outras avalanches de ionização no
gás. Assim, como ilustrado na Figura 6, são desencadeadas inúmeras avalanches de
ionização que originam muitos electrões, que se estendem ao longo do ânodo,
descarregando-o.
Com a rápida deslocação dos electrões para o ânodo, os iões positivos são deixados
para trás. Assim, o número de iões aumenta ao longo e em volta do ânodo provocando a
diminuição da tensão entre os eléctrodos. A este fenómeno designa-se de space charge
[7]
. No limite, ao se atingir uma tensão crítica de funcionamento do detector, a descarga
termina e é gerado um impulso caracteristicamente largo. Assim, este impulso por ser
tão grande, torna desnecessária a necessidade de amplificação do mesmo. No entanto
este não possui qualquer informação referente à ionização inicial, ou seja, o contador
não distingue diferentes energias e tipos de radiação. No entanto a sua sensibilidade,
comparado com o contador proporcional, é superior.
Os iões positivos requerem um período mais longo que os electrões para chegarem
ao cátodo. Por esta razão, existe uma certa probabilidade de os electrões se libertarem
da superfície e provocarem descargas secundárias. Esta situação é controlada e evitada
recorrendo à utilização de um gás molecular, quenching gas (quench significa
extinguir), com a particularidade de possuir elevada probabilidade de interagir com os
iões positivos do gás primário (gás que sofre ionização). A utilização deste gás, para
além de limitar a aplicabilidade do detector devido ao elevado tempo de dissociação,
cerca de centenas de µs [1], possui também o inconveniente de ser necessária a
substituição a curto prazo deste gás, uma vez que ele é gradualmente utilizado. Ainda
7
Detectores de Radiação
assim, devido ao baixo custo deste gás, a sua utilização em muitos laboratórios é
elevada.
Figura 6. Formação de múltiplas avalanches de ionização, no interior de um contador Geiger-Müller,
devido à emissão de fotões ultravioletas [6].
Tal como no caso do contador proporcional, o contador de Geiger-Müller apresentase em três tipos básicos consoante a sua geometria e design [6]: contador cilíndrico de
janela lateral, side-window, contador de end window e contador pancake.
Os três diferentes tipos de contadores são apresentados na Figura 7. O contador de
janela lateral, imagem de cima, é considerado o dispositivo convencional mais utilizado.
A zona exterior é rodeada por um invólucro cilíndrico (normalmente aço), que serve ao
mesmo tempo de cátodo, enquanto o ânodo é um fio de metal, principalmente
tungsténio, que se dispõem ao longo do eixo central do dispositivo. Apesar de este
aparelho ser utilizado com o objectivo de medir radiação γ, pode ser usado com o intuito
de registar partículas β de alta energia, desde que a espessura da parede exterior seja
suficiente fina para os contar. O contador pancake1, tal como o nome indica, apresenta
uma forma circunferencial como base e uma espessura achatada. Enquanto o cátodo é,
uma vez mais, a parede exterior do detector, por sua vez o ânodo apresenta a forma
circunferencial da base, sendo paralela a esta. A espessura da base do detector é baixa,
cerca de 1.5 a 2.0mg.cm-2 [6], o que faz com que a utilização do contador seja
redireccionada à medição de partículas β, de forma preferencial. Por fim, o contador
end-window, como ilustrado também na Figura 7, apresenta uma parede circunferencial
(cátodo), enquanto o ânodo se encontra no interior, mas ao contrário do contador de
janela lateral, a sua extensão já não é integral ao longo do eixo central. A base deste
contador é constituída normalmente por mica, como o contador end-window, tendo a
mesma espessura igualmente. Apesar de ser utilizada na contagem de partículas γ e
possivelmente de α’s inclusive, o seu principal objectivo são a detecção de actividade de
partículas β.
1
Pancake significa panqueca em inglês, sendo um bolo com a forma cilíndrica achatada.
8
Detectores de Radiação
Figura 7. Diferentes tipos de contadores de Geiger-Müller: side-window, end-window e pancake [6].
DETECTORES DE CINTILAÇÃO
Os detectores de cintilação são um tipo diferente de detectores, uma vez que
apresentam propriedades diferentes aos detectores de ionização. Um detector de
cintilação é constituído essencialmente por um cintilador, uma superfície fotocatódica,
um fotomultiplicador (PMT – PhotoMultiplier Tube) e a componente electrónica [1][8],
vide Figura 8.
Figura 8. Diagrama esquemático de um detector de cintilação [1].
Numa fase inicial, a radiação incide na câmara do cintilador, o qual é revestido por
um material reflector e impermeável à luz. Ao entrar no cintilador, o fotão transfere
alguma da sua energia a um electrão ou a um par electrão-positrão, excitando-o. Este
9
Detectores de Radiação
fenómeno de dissipação ocorre várias vezes até que a energia do fotão atinja um limite
mínimo de excitação. No entanto, a parte mais importante desta fase ocorre no momento
em que os átomos perdem essa energia armazenada, e ocorre emissão de radiação
visível ou próximo do visível, ou seja, radiação fluorescente.
Numa segunda fase, grande parte destes fotões gerados atingem a parede
fotocatódica, resultando na emissão de foto-electrões. Como é possível observar na
Figura 8, estes foto-electrões são posteriormente direccionados para o fotomultiplicador,
onde são acelerados por acção de um gradiente de tensão imposto, e estabelecido por
uma cadeia resistiva presente no aparelho. O PMT é um dispositivo constituído por
diversos dínodos e um ânodo e cuja função básica é a multiplicação do número de
electrões. Na entrada dele existe também uma grelha de focagem que permite a focagem
dos electrões segundo o primeiro dínodo.
No interior do PMT, em consequência do aumento da velocidade dos electrões, as
suas energias aumentam e ao colidirem nos diversos dínodos são gerados electrões
secundários. Uma vez que cada dínodo consegue gerar, a partir de um electrão, até um
máximo de cinco electrões [1] (dependendo do valor da tensão imposta entre o
fotocátodo, os dínodos e o ânodo), é possível obter no ânodo, cerca de 107 electrões2.
No fim, obter-se-á então um impulso de corrente que é posteriormente amplificado e
processado electronicamente.
Figura 9. Estados de energia das moléculas dos cintiladores orgânicos (esquerda) e inorgânicos
(direita) [1].
Os cintiladores podem ser de dois tipos [1], orgânicos ou inorgânicos, consoante a
forma como ocorre a excitação e desexcitação dos electrões no material do cintilador.
Os cintiladores orgânicos são constituídos por moléculas cuja interacção entre elas é
fraca. As moléculas orgânicas do material apresentam determinados estados
electrónicos, mas que simbolicamente podem ser apresentados como na Figura 9,
esquerda. Inicialmente os electrões encontram-se num estado S0, e ao ser fornecida
energia pelo fotão incidente há uma transição desses electrões para um estado S1, de
maior energia. Para além deste tipo de transição pode ocorrer simultaneamente
transições vibracionais, que são de energia mais baixa. Assim, sempre que ocorre
excitação há passagem de um estado S00, para um qualquer estado vibracional do S1.
Num estado excitado, S1, a molécula encontra-se relativamente instável e por essa razão
existe a necessidade de voltar ao estado fundamental, S0, em qualquer um dos estados
vibracionais. Essa passagem, além de ser significativamente rápida (alguns pico2
Supondo um PMT com dez dínodos e considerando que cada um produz cinco electrões, então no ânodo
obtêm-se 510, ou seja, aproximadamente os 107.
10
Detectores de Radiação
segundos), ocorre com libertação de um fotão com energia igual à variação de energia
entre o estado S0 e S1. É importante referir que alguns fotões podem possuir energia
suficiente para garantir re-excitação e por isso, utilizam-se cintiladores que são
transparentes a grande parte da sua própria radiação.
Os cintiladores inorgânicos são constituídos na maioria das vezes por sólidos
cristalinos, sendo que os mais comuns são os cristais de halogéneo e metais alcalinos,
como por exemplo o iodeto de sódio, NaI. Neste tipo de moléculas e estruturas, a
distribuição electrónica é diferente dos materiais orgânicos, vide Figura 9, direita. As
estruturas cristalinas apresentam duas bandas electrónicas (constituídas por grupos de
níveis de energia) de energias distintas e que os electrões ocupam, sendo que as de
menor energia são as bandas de valência e as outras as bandas de condução. Estas, por
terem maior energia, em geral, encontram-se vazias. Quando a radiação incide no
cristal, diversos electrões presentes na banda de valência “saltam” para a banda de
condução devido à transferência de energia, formando na banda menos energética um
“buraco”, hole. Esta instabilidade energética é de seguida compensada pelo retorno dos
electrões desde a banda de condução para a banda de valência. Ao electrão que “salta”
de nível e ao “buraco” que fica designa-se par electrão-buraco (e-h) – electron-hole
pair. Neste processo, há uma vez mais emissão de fotões, sendo que neste caso a sua
energia é mais elevada, de tal forma que é capaz de voltar a excitar um electrão da
banda de valência. De forma a evitar este problema, já que se pretende que os electrões
sejam excitados somente uma vez por cada radiação, são adicionados pequenas
quantidades de outra substância, por exemplo tálio. Esta impureza, acrescenta novos
níveis de energia intermédias às duas bandas energéticas. Assim, o valor das energias
resultantes da excitação e desexcitação são menores e já não ocorre a referida reexcitação.
Os detectores inorgânicos são os mais utilizados destes dois tipos, nomeadamente os
já referidos cristais de iodeto de sódio dopados com tálio devido à elevada eficiência de
conversão entre a radiação e a luz [9]. Por outro lado os detectores orgânicos,
nomeadamente os fluidos, são muito úteis na detecção de radiação com baixo valor de
penetração, como por exemplo as partículas β, uma vez que é possível colocar a fonte
de radiação imersa no líquido cintilador.
DETECTORES SEMICONDUTORES
Os detectores de semicondutores são dispositivos que utilizam semicondutores como
o material responsável pela captação da radiação e sua conversão em energia eléctrica.
Estes detectores são muito usados na indústria e pesquisa científica, porque possuem
elevada resolução espacial, uma determinação precisa da energia das partículas
carregadas e um bom tempo de resposta [1][10].
11
Detectores de Radiação
Figura 10. Cristal semicondutor, do tipo junção p-n [10].
O princípio de funcionamento destes detectores é semelhante ao do detector de
cintilação inorgânico descrito anteriormente. Desta vez o cristal é um semicondutor,
sendo normalmente silício ou germânio. Quando a radiação incide no cristal, tal como
nos casos anteriores, a sua energia é transferida para o detector, neste caso o
semicondutor. Estes cristais semicondutores são constituídos por junções p-n, como é
possível observar na Figura 10, e que tal como no referido material inorgânico do
detector de cintilação, possui zonas de energia, a banda de valência e de condução,
capazes de originar o par electrão-buraco. Quando a energia é transferida para o electrão
do cristal, este “salta” para a banda de condução, deixando na banda de valência uma
lacuna. Devido a uma diferença de potencial que é imposto aos eléctrodos do
semicondutor, o electrão move-se rapidamente em direcção ao ânodo, impedindo que
este volte ao estado fundamental. Com esta movimentação, a própria lacuna “move-se”
no sentido do cátodo, analogamente a uma bolha de ar, que dentro de água adquire
movimento ascendente, contrário à força da gravidade. O tempo total necessário para
que estas lacunas cheguem ao eléctrodo é muito mais reduzido que nos outros diferentes
detectores considerados, dezenas a centenas de nanosegundos [1], sendo possível a
operatividade do aparelho a frequências superiores.
A energia média necessária para fazer um electrão do cristal ascender à banda de
condução varia apenas com a temperatura e tipo de cristal utilizado, sendo então
independente do tipo de radiação que incide sobre o material. Se o cristal for feito de
silício, a energia é aproximadamente 3.62eV (temperatura ambiente, ou 3.72eV a 80K),
enquanto se for de germânio, o seu valor é cerca de 2.95eV (80K) [11]. No entanto, nem
toda esta energia é gasta no processo de quebra da ligação do electrão à banda de
valência (forbidden bandgap), uma vez que para estes dois semicondutores, silício e
germânio, estes valores são inferiores, 1.115eV (temperatura ambiente) e 0.73eV (80K),
respectivamente [11]. O resto da energia transferida é absorvido pela estrutura do cristal
por meio de energia vibracional3. Apesar deste facto, e tendo em conta as energias
necessárias para ionizar ou produzir um electrão nos anteriores detectores, este detector
consegue obter uma boa performance, porque consegue gerar mais electrões por cada
partícula carregada. No entanto, este aumento não é suficiente para desprezar a pós
amplificação, sendo portanto necessário o referido amplificador e um outro
amplificador de forma [1][11].
3
A quantificação do modo de vibração numa estrutura cristalina sólida, como o semicondutor, é definida
na literatura de phonon [12].
12
Detectores de Radiação
Generalizando este processo para os vários electrões excitados por uma partícula
carregada, as suas movimentações na estrutura geram uma corrente eléctrica,
eléctrica que será
proporcional à energia depositada pela radiação. Este impulso de corrente poderá
posteriormente ser interpretado, aplicando manipulações matemáticas estatísticas
(considera-se
se uma distribuição de Poisson na formação do par electrão-buraco)
electrão
de
forma a se obter a energia da partícula carregada incidente e assim caracterizá-la.
caracterizá
É importante salientar que a pureza do cristal semicondutor utilizado no detector tem
de ser máxima, de modo a evitar o bloqueio da movimentação dos electrões e a sua
s
recombinação na estrutura.
Os detectores principais de semicondutores são de dois tipos diferentes, os detectores
de junção p-n e os intrínsecos,
intrínsecos sendo que estes são feitos geralmente de germânio e os
o
[1]
outros de silício . Os detectores de junção p-n
p n são constituídos por dois cristais
semicondutores dopados com duas substâncias diferentes,, cujas ordens de valência
sejam menores e maiores em uma unidade
unidade relativamente ao material do cristal. Se se
considerar o silício como o material do cristal, com ordem de valência 4 (igual ao
carbono), então uma das substâncias dopantes terá uma ordem de valência 3, sendo esta
constituinte da estrutura tipo-p,
tipo e a outra terá ordem 5, dopando a estrutura tipo-n. A
estrutura tipo-n apresenta um átomo dador de electrões e por essa razão, terá uma banda
de estado próxima da banda de condução do silício,
silício, ou seja, a variação de energia
desses níveis é próxima de zero.
zero Contrariamente, a estrutura tipo-pp apresenta um átomo
receptor de electrões e consequentemente terá uma banda de estado logo acima da
banda de valência do silício,
silício sendo essa variação também quase nula. Como a variação
de energia entre as diferentes
diferent bandas de energia é praticamente nula em ambos os casos,
casos
os electrões dos átomos dadores “saltam” facilmente da sua banda de estado para a
banda de condução do cristal, movimentando-se
movimentando se livremente nesse nível. Logo, como
existem lacunas na banda de valência
valên
da estrutura tipo-p,
p, esses electrões deslocam-se
deslocam
para esta zona,, criando uma diferença de potencial residual entre as duas estruturas.
estruturas No
limite, obtém-se uma situação de equilíbrio, apresentada na Figura 11, em que os
electrões que estão em excesso na estrutura tipo-p
tipo p criam uma tensão negativa enquanto
que o excesso de lacunas na estrutura tipo-n
tipo origina tensão positiva. Como os electrões
e as lacunas referidas anteriormente
eriormente se encontram nas extremidades das estruturas, a
esta zona denomina-se
se região de depleção. Como indicado na figura, esta região
apresenta uma tensão residual originária da disposição das cargas nas estruturas.
Figura 11. Um díodo p-n num estado de equilíbrio [13].
Devido a este excesso de cargas, a região de depleção é a zona do detector sensível à
radiação incidente. No caso dos electrões a excitação é realizada na zona negativa da
figura. Desta forma e por causa do campo eléctrico sentido, os electrões excitados
movem-se
se no sentido contrário ao referido anteriormente, ou seja, da estrutura tipo-p
tipo
para a estrutura tipo-n. Esta movimentação origina consequentemente uma tensão
13
Detectores de Radiação
oposta à residual e possível de ser medida e analisada, com o objectivo de determinar a
energia da radiação incidente.
A largura da região de depleção pode ser ajustável consoante as necessidades
pretendidas. No caso de se pretender uma região larga liga-se a estrutura tipo-p ao pólo
negativo de uma fonte de tensão enquanto a zona tipo-n fica conectada ao pólo positivo,
originando o efeito reverse-bias [1][13]. Este efeito, apesar de originar frequências dos
impulsos e eficiências mais elevadas que sem este efeito, cria também outras correntes
de baixo valor, mas que contribuem para o aumento do ruído do detector. Por outro
lado, é possível também diminuir a largura da região de depleção, realizando o
procedimento contrário, ou seja, ligar a estrutura tipo-p ao pólo positivo e a tipo-n ao
pólo negativo, originando o efeito forward-bias [13].
Os detectores intrínsecos são constituídos por cristais únicos com elevada pureza [1].
Apesar de obterem uma resolução espacial bastante elevada e melhor que outros
detectores, são muito caros e existe a necessidade de os refrigerar com azoto líquido.
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Detectores de Radiação
BIBLIOGRAFIA
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de Julho de 2007; Acedida 15 de Novembro de 2008.
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de
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[7] Página Web realizada pela Integrated Publishing, que apresenta informação
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[11] Páginas Web realizadas por ORTEC, que fazem parte de Review of the Physics
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http://www.orteconline.com/detectors/review_physics/creation.htm,
http://www.orteconline.com/detectors/review_physics/pulse.htm; 2007; Acedida 25 de Novembro
de 2008.
[12] Página
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Wikipedia,
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http://en.wikipedia.org/wiki/Phonon; 6 de Novembro de 1998; Acedida 26 de
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[13] Página Web realizada pela Wikipedia, que define p-n junction;
http://en.wikipedia.org/wiki/PN_junction; 19 de Novembro de 2008; Acedida 26
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